脊椎動物從水生到陸生演化過程中的遺傳創(chuàng)新

王堃，任彥棟，邱強(qiáng)

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脊椎動物從水生到陸生演化過程中的遺傳創(chuàng)新

王堃，任彥棟，邱強(qiáng)

西北工業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，西安 710072

泥盆紀(jì)時期(4億年前)脊椎動物登陸事件是脊椎動物演化史上的一次巨大飛躍，需要脊椎動物在呼吸系統(tǒng)、運動系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)等諸多方面進(jìn)行系統(tǒng)革新[1,2]，從而適應(yīng)從水生到陸生環(huán)境的改變。長期的古生物學(xué)和系統(tǒng)分類學(xué)研究顯示，現(xiàn)存四足動物最近的魚類近親是肺魚，而肉鰭魚亞綱(包含空棘魚、肺魚和四足動物)與輻鰭魚亞綱(常見的各種魚)被統(tǒng)稱為硬骨魚綱。長期以來，肺魚和早期輻鰭魚類這些“活化石”魚類基因組一直缺乏系統(tǒng)研究，特別是肺魚擁有已知脊椎動物中最大的基因組(40 Gb以上)，分析難度極大，因而硬骨魚祖先到肉鰭魚祖先再到陸生脊椎動物演化歷程中的遺傳創(chuàng)新機(jī)制這一重大科學(xué)問題始終沒有得到很好解答。

2021年2月5日，雜志在線發(fā)表了西北工業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院水生生物研究所、中國科學(xué)院昆明動物研究所、中國科學(xué)院北京基因組研究所、華大基因、丹麥哥本哈根大學(xué)、中國科學(xué)院古脊椎動物與古人類研究所、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)基因組研究所、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、武漢希望組生物技術(shù)公司等多個研究團(tuán)隊合作完成的兩項脊椎動物演化的重大成果。通過對現(xiàn)生多個古代魚類基因組的研究，以及進(jìn)化生物學(xué)、魚類學(xué)、古生物學(xué)、計算生物學(xué)和實驗生物學(xué)等多學(xué)科交叉，分別從原始輻鰭魚類和肺魚兩個不同的演化節(jié)點角度(圖1)，揭示了脊椎動物從水生到陸生轉(zhuǎn)變的遺傳創(chuàng)新基礎(chǔ)[3,4]，為理解脊椎動物的演化歷史提供了新的遺傳學(xué)證據(jù)。

1 原始輻鰭魚類基因組的解析發(fā)現(xiàn)登陸的遺傳基礎(chǔ)已經(jīng)在硬骨魚類祖先出現(xiàn)

如何在缺少水體浮力的情況下支撐身體進(jìn)行運動，以及如何呼吸空氣中的氧，是脊椎動物從水生到陸生演化過程中需要克服的兩個最重要障礙。原始輻鰭魚類保留了一些克服從水到陸障礙有關(guān)的特征，如：擁有原始的用來呼吸空氣的肺，可離水存活一段時間；擁有肌肉和內(nèi)骨骼支撐的胸鰭柄，可以在水底爬行等。通過解析輻鰭魚類基部的多鰭魚()、匙吻鱘()、弓鰭魚()和鱷雀鱔()4個物種高質(zhì)量的基因組，結(jié)合比較基因組分析和實驗驗證，從分子水平揭示了許多脊椎動物重要器官的同源關(guān)系，并首次提出與四足動物陸生適應(yīng)相關(guān)器官和生理功能的遺傳調(diào)控機(jī)制在其硬骨魚祖先中已開始出現(xiàn)雛形，為后續(xù)肉鰭魚登陸演化出四足動物這一飛躍提供了重要的遺傳創(chuàng)新基礎(chǔ)，包括：骨骼運動靈活性、空氣呼吸功能以及心臟系統(tǒng)3個方面(圖1)。

原始輻鰭魚類胸鰭的后基鰭骨與四足動物的“大臂”(肱骨)屬于同源器官，但該器官在輻鰭魚類中的真骨魚這一支則特異性丟失[5~8]。該研究發(fā)現(xiàn)許多四足動物中調(diào)節(jié)四肢發(fā)育的增強(qiáng)子在原始輻鰭魚類已經(jīng)存在，其中一個極端保守的增強(qiáng)子甚至可以追溯到軟骨魚類，這一增強(qiáng)子可以調(diào)控下游與滑膜關(guān)節(jié)形成相關(guān)的基因的表達(dá)。通過再生實驗以及原位表達(dá)分析，證實了該基因主要在后基鰭骨與鰭條的連接處表達(dá)，該區(qū)域?qū)?yīng)了四足動物中的滑膜關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，揭示了滑膜關(guān)節(jié)雛形的遺傳創(chuàng)新在硬骨魚祖先中已經(jīng)出現(xiàn)。

圖1 脊椎動物水生–陸生轉(zhuǎn)化過程中的基礎(chǔ)與創(chuàng)新

通過比較基因組分析發(fā)現(xiàn)，原始輻鰭魚類的嗅覺感受器中，除了具有魚類都擁有的檢測水溶性分子的嗅覺受體之外，還具有能夠檢測空氣分子的嗅覺受體，同時存在兩種類型的嗅覺受體也暗示其具有潛在的空氣呼吸能力。進(jìn)一步的多器官表達(dá)譜和系統(tǒng)發(fā)育分析顯示肺與魚鰾的表達(dá)譜最為接近，部分在肺中特異性表達(dá)的基因在硬骨魚的祖先中已經(jīng)出現(xiàn)，暗示著“原肺”形成的分子基礎(chǔ)早已存在。此外，原始輻鰭魚類肺中高表達(dá)的基因顯著集中在血管新生通路，可能與其肺或魚鰾表面密布血管從而幫助氧氣擴(kuò)散及運輸相關(guān)。以上結(jié)果表明，人們常見的真骨魚的魚鰾是由脊椎動物早期的肺演變而來，并且遺傳基礎(chǔ)早在硬骨魚祖先階段就已經(jīng)產(chǎn)生。

空氣呼吸能力的出現(xiàn)必然伴隨著血液循環(huán)系統(tǒng)的提升，因而心臟和呼吸系統(tǒng)的協(xié)同演化對脊椎動物從水生到陸生的轉(zhuǎn)變至關(guān)重要，從魚類的一心房一心室到人類的兩心房兩心室，心臟的結(jié)構(gòu)和功能也不斷趨向完善和復(fù)雜。共線性分析發(fā)現(xiàn)，與心臟系統(tǒng)相關(guān)的基因在人類和多鰭魚之間存在非常保守的共線性關(guān)系，表明這些基因具有保守的調(diào)控機(jī)制。該研究首次鑒定出一個基因的保守調(diào)控原件，在小鼠基因組中靶向刪除該調(diào)控元件后，發(fā)現(xiàn)基因在在早期胚胎的右心室表達(dá)量降低，并導(dǎo)致心臟發(fā)育不全以及先天性死亡。

2 肺魚基因組的解析揭示脊椎動物水生–陸生轉(zhuǎn)變過程中的遺傳創(chuàng)新

肺魚是四足動物最近的現(xiàn)生姊妹群，是解析脊椎動物登陸過程不可或缺的橋梁。然而，肺魚屬物種基因組大小從40~100 Gb不等[9]，是人類基因組大小的十?dāng)?shù)倍，對其超大基因組的解析成為巨大的挑戰(zhàn)。該研究利用單分子測序技術(shù)，并開發(fā)了全新的組裝算法，成功地解析了非洲肺魚的基因組。該基因組組裝大小為40.05 Gb，與預(yù)測大小相吻合，也是迄今已被解析的最大基因組。該基因組包含95.4%的脊椎動物完整基因，組裝質(zhì)量遠(yuǎn)超過2018年發(fā)表的美西螈(包含70%脊椎動物完整基因，32 Gb)[10]及2021年發(fā)表的澳洲肺魚(包含67%脊椎動物完整基因，34 Gb)[11]基因組，標(biāo)志著我國科研人員在解析超大復(fù)雜基因組方面已經(jīng)達(dá)到國際頂尖水平。利用這一高質(zhì)量基因組，研究人員揭示了肺魚基因組增大之謎，并深入解析了脊椎動物在登陸過程中出現(xiàn)的新基因、新調(diào)控元件及其他遺傳創(chuàng)新。這些遺傳創(chuàng)新與脊椎動物水生-陸生轉(zhuǎn)變過程中呼吸系統(tǒng)、四肢及運動系統(tǒng)、鰓弓演化和神經(jīng)系統(tǒng)的演變密切相關(guān)(圖1)。

肺魚基因組擴(kuò)增主要是由于逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子在數(shù)億年中持續(xù)插入造成的結(jié)果。這一持續(xù)性的基因組擴(kuò)增使得肺魚的內(nèi)含子長度要遠(yuǎn)超其他物種。在肺魚基因組中，基因長度超過1 Mb的有5000個，而在人類基因組中只有數(shù)十個。然而，這些超長基因的轉(zhuǎn)錄水平卻并未受到很大影響，表明肺魚具備對超長基因的高效轉(zhuǎn)錄機(jī)制。通過對數(shù)十個脊椎動物基因組的成分進(jìn)行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)與基因組大小呈顯著正相關(guān)的不僅有逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的數(shù)量，另外一類與抑制轉(zhuǎn)座子直接相關(guān)的鋅指蛋白也隨著基因組的增大而普遍擴(kuò)張，這類鋅指蛋白還在肺魚的生殖腺中高表達(dá)，可能在生殖系細(xì)胞中起到抑制轉(zhuǎn)座子活性的作用。這可能是肺魚基因組之所以能容忍數(shù)量龐大的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的因素之一，也是大基因組應(yīng)對逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的一種補(bǔ)償機(jī)制。

四足動物的標(biāo)志是五指的形成，這一表型也標(biāo)志著脊椎動物真正走向陸地。此前的主流觀點認(rèn)為，和在四肢末端的互斥表達(dá)是五指形成的機(jī)制。當(dāng)和在四肢末端共表達(dá)時，出現(xiàn)類似魚鰭的表型；當(dāng)在四肢末端抑制的表達(dá)時，則出現(xiàn)五指的表型，然而此前的研究始終未能發(fā)現(xiàn)這一調(diào)控背后所對應(yīng)的遺傳創(chuàng)新機(jī)制。在高質(zhì)量肺魚基因組基礎(chǔ)上，該研究在上游200 bp左右發(fā)現(xiàn)了一個四足動物新起源的調(diào)控元件，可能與用以調(diào)控的時空表達(dá)密切相關(guān)。有趣的是，這一新起源的調(diào)控元件在蛇類和鳥類中發(fā)生了較大的變異，可能與其附肢的特化有關(guān)。該研究還發(fā)現(xiàn)了多個與手臂形成(橈骨出現(xiàn)和運動神經(jīng)元能力增強(qiáng))相關(guān)的遺傳變異，包括影響四肢發(fā)育的角質(zhì)鰭條蛋白編碼基因在肺魚(丟失一個拷貝)和四足動物(丟失全部拷貝)中漸進(jìn)式丟失，控制后肢發(fā)育的基因在四足動物中發(fā)生了特異性的大片段缺失，控制腰椎運動神經(jīng)元發(fā)育的基因上游產(chǎn)生了四足類動物特異性的調(diào)控元件等。這些結(jié)果首次在全基因組水平揭示了脊椎動物獲得陸地性附肢和運動能力的遺傳創(chuàng)新機(jī)制。

液體(血液)與空氣交界面對肺泡造成的表面張力是直接呼吸空氣的陸生脊椎動物必須要面對的挑戰(zhàn)，而肺表面活性劑基因的表達(dá)則是解決這一問題的關(guān)鍵。陸地脊椎動物中的肺表面活性劑基因包括、、和四種[12~14]。該研究發(fā)現(xiàn)這些基因經(jīng)歷了至少3步演化，從硬骨魚祖先就開始出現(xiàn)的證明了硬骨魚祖先就已經(jīng)具備初步的空氣呼吸能力；而從肉鰭魚祖先出現(xiàn)的新基因，證明了肉鰭魚祖先呼吸能力得到了進(jìn)一步的增強(qiáng)；最終從四足動物祖先開始出現(xiàn)的新基因和，標(biāo)志著陸生脊椎動物呼吸系統(tǒng)的完備。此外，基因在循環(huán)利用肺表面活性劑的磷脂質(zhì)方面具有關(guān)鍵性作用，該基因在肺魚和四足動物的肺中高表達(dá)，但在輻鰭魚類的肺中低表達(dá)。此前研究表明，該基因在斑馬魚中主要在消化系統(tǒng)中表達(dá)，以提高磷元素的利用率[15,16]。因此，該基因可能是在肉鰭魚祖先中被肺招募，使其呼吸功能得到了進(jìn)一步增強(qiáng)。

在脊椎動物登陸過程中，大腦中最為顯著的改變發(fā)生在負(fù)責(zé)情緒處理的杏仁核區(qū)域中[17]。從肺魚和四足動物的共同祖先開始，杏仁核開始具備相對成熟的多分區(qū)結(jié)構(gòu)[18,19]。該研究發(fā)現(xiàn)，在肺魚和四足動物的祖先出現(xiàn)了兩個新基因，和，分別編碼神經(jīng)肽S及其受體。這兩個新基因在杏仁核中表達(dá)，負(fù)責(zé)抗焦慮功能。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)了多個與杏仁核有關(guān)的基因在肺魚和四足動物祖先都出現(xiàn)了較大的氨基酸變異。這些結(jié)果提示肺魚和四足動物在抗焦慮方面可能具有更強(qiáng)的能力，而這一能力的增強(qiáng)可能對陸地生活有益。

這兩項創(chuàng)新性的研究成果，為人們更清晰描繪脊椎動物從水生到陸生的演化過程提供了新的遺傳證據(jù)：(1)四足動物陸生性背后的遺傳基礎(chǔ)早在硬骨魚共同祖先已經(jīng)出現(xiàn)，對后續(xù)的跨越式演化提供了分子遺傳基礎(chǔ)，特別是調(diào)控空氣呼吸功能、骨骼運動靈活性、以及心肺系統(tǒng)發(fā)育相關(guān)的古老基因和調(diào)控元件；(2)而肉鰭魚的祖先則在空氣呼吸、陸地運動和神經(jīng)系統(tǒng)方面得到進(jìn)一步的完善，為四足動物的最終登陸做好了前期準(zhǔn)備。

[1] Hinchliffe JR. Evolutionary developmental biology of the tetrapod limb., 1994,(Suppl.): 163–168.

[2] Long JA, Gordon MS. The greatest step in vertebrate history: A paleobiological review of the fish-tetrapod transition.2004, 77(5): 700–701.

[3] Bi XP, Wang K, Yang LD, Pan HL, Jiang HF, Wei QW, Fang MQ, Yu H, Zhu CL, Cai YR, He YM, Gan XN, Zeng HH, Yu DQ, Zhu YA, Jiang HF, Qiu Q, Yang HM, Zhang YE, Wang W, Zhu M, He SP, Zhang GJ. Tracing the genetic footprints of vertebrate landing in non-teleost ray- finned fishes., 2021, 184(5): 1377–1391.e14.

[4] Wang K, Wang J, Zhu CL, Yang LD, Ren YD, Ruan J, Fan GY, Hu J, Xu WJ, Bi XP, Zhu YA, Song Y, Chen HT, Ma TT, Zhao RP, Jiang HF, Zhang B, Feng CG, Yuan Y, Gan XN, Li YX Zeng HH, Liu Q, Zhang YL, Shao F, Hao SJ, Zhang H, Xu X, Liu X, Wang DP, Zhu M, Zhang GJ, Zhao WM, Qiu Q, He SP, Wang W. African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition., 2021, 184(5): 1362–1376.e18.

[5] Davis MC, Shubin NH, Force A. Pectoral fin and girdle development in the basal actinopterygians Polyodon spathula and Acipenser transmontanus., 2004, 262(2): 608–628.

[6] Tanaka M. Fins into limbs: Autopod acquisition and anterior elements reduction by modifying gene networks involving 5'Hox, Gli3, and Shh., 2016, 413(1): 1–7.

[7] Wagner GP, Chiu CH. The tetrapod limb: a hypothesis on its origin., 2001, 291(3): 226–240.

[8] Woltering JM, Irisarri I, Ericsson R, Joss JMP, Sordino P, Meyer A. Sarcopterygian fin ontogeny elucidates the origin of hands with digits., 2020, 6(34): eabc3510.

[9] Metcalfe CJ, Filée J, Germon I, Joss J, Casane D. Evolution of the Australian lungfish () genome: a major role for CR1 and L2 LINE elements., 2012, 29(11): 3529–3539.

[10] Grohme MA, Schloissnig S, Rozanski A, Pippel M, Young GRY, Winkler S, Brandl H, Henry I, Dahl A, Powell S, Hiller M, Myers E, Rink JC. The genome of Schmidtea mediterranea and the evolution of core cellular mechanisms., 2018,554(7690): 56–61.

[11] Meyer A, Schloissnig S, Franchini P, Du K, Woltering J, Irisarri I, Wong WY, Nowoshilow S, Kneitz S, Kawaguchi A, Fabrizius A, Xiong PW, Dechaud C, Spaink HP, Volff JN, Simakov O, Burmester T, Tanaka EM, Schartl M. Giant lungfish genome elucidates the conquest of land by ver-tebrates., 2021, 590(7845): 284–289.

[12] Gómez-Gil L, Schürch D, Goormaghtigh E, Pérez-Gil J. Pulmonary surfactant protein SP-C counteracts the dele-terious effects of cholesterol on the activity of surfactant films under physiologically relevant compression-expansion dynamics.,2009, 97(10): 2736–2745.

[13] Roldan N, Nyholm TKM, Slotte JP, Pérez-Gil J, García- álvarez B. Effect of lung surfactant protein SP-C and SP-C-promoted membrane fragmentation on cholesterol dynamics., 2016, 111(8): 1703–1713.

[14] Haagsman HP, Diemel RV. Surfactant-associated proteins: functions and structural variation., 2001, 129(1): 91–108.

[15] Chen P, Tang Q, Wang CF. Characterizing and evaluating the expression of the type IIb sodium-dependent phosphate cotransporter (slc34a2) gene and its potential influence on phosphorus utilization efficiency in yellow catfish (Pelteobagrus fulvidraco)., 2016, 42(1): 51–64.

[16] Chen P, Huang Y, Bayir A, Wang C. Characterization of the isoforms of type IIb sodium-dependent phosphate cotransporter (Slc34a2) in yellow catfish, Pelteobagrus fulvidraco, and their vitamin D3-regulated expression under low-phosphate conditions., 2017, 43(1): 229–244.

[17] Bruce LL, Neary TJ. The limbic system of tetrapods: a comparative analysis of cortical and amygdalar populations., 1995,46(4–5): 224–234.

[18] Northcutt R G. Telencephalic organization in the spotted African Lungfish, Protopterus dolloi: a new cytological model., 2009, 73(1): 59–80.

[19] González A, Northcutt RG. An immunohistochemical approach to lungfish telencephalic organization., 2009, 74(1): 43–55.

2021-02-04;

2021-02-10

王堃，博士，副教授，研究方向：脊椎動物演化。E-mail: wangkun@nwpu.edu.cn

任彥棟，博士，博士后，研究方向：進(jìn)化基因組學(xué)。E-mail: renyandong90@126.com

王堃和任彥棟為共同第一作者。

邱強(qiáng)，博士，教授，研究方向：進(jìn)化基因組學(xué)。E-mail: qiuqiang@lzu.edu.cn

10.16288/j.yczz.21-063

2021/2/24 11:26:36

URI: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20210223.1648.002.html